Sistema Nervioso: Sinapsis, Neurotransmisores y Neuronas

Organización del Sistema Nervioso, Funciones Básicas de las Sinapsis y Neurotransmisores

• El sistema nervioso destaca por su capacidad para procesar información y controlar acciones complejas.
• Recibe millones de datos de nervios y órganos sensitivos cada minuto, integrándolos para generar respuestas.
• Antes de estudiar el sistema nervioso, es importante conocer los principios de los potenciales de membrana y la transmisión de señales en nervios y uniones neuromusculares.

Diseño General del Sistema Nervioso

La Neurona: Unidad Funcional Básica del Sistema Nervioso Central

• El sistema nervioso central contiene entre 80.000 y 100.000 millones de neuronas, como las de la corteza motora cerebral.
• Las señales de entrada llegan a través de sinapsis en dendritas y el soma celular.
• Cada neurona puede tener entre cientos y 200.000 conexiones sinápticas de fibras aferentes.
• La señal de salida viaja por un único axón, que puede ramificarse hacia otras áreas del sistema nervioso.
• La señal en la mayoría de las sinapsis circula solo en dirección anterógrada, desde el axón de una neurona a las dendritas de la siguiente.

Porción Sensitiva del Sistema Nervioso: Receptores Sensitivos

• Las experiencias sensitivas activan los receptores sensitivos, desencadenando la mayoría de las actividades del sistema nervioso.
• La porción somática del sistema sensitivo transmite información desde todo el cuerpo y estructuras profundas.
• La información sensitiva entra en el sistema nervioso central a través de nervios periféricos y se dirige a:
• Médula espinal
• Formación reticular del bulbo raquídeo, protuberancia y mesencéfalo
• Cerebelo
• Tálamo
• Corteza cerebral

Porción Motora del Sistema Nervioso: Efectores

• La función principal del sistema nervioso es regular las actividades del cuerpo, regulando:
• Contracción de músculos esqueléticos
• Contracción de la musculatura lisa de las vísceras
• Secreción de glándulas exocrinas y endocrinas
• Estas actividades motoras son generadas por las señales nerviosas que viajan hacia los efectores (músculos y glándulas).
• El eje nervioso motor "esquelético" controla la contracción de la musculatura esquelética.
• El sistema nervioso autónomo controla la musculatura lisa, glándulas y sistemas internos.
• Los músculos esqueléticos son controlados por múltiples niveles del sistema nervioso central:
• Médula espinal
• Formación reticular
• Ganglios basales
• Cerebelo
• Corteza motora
• Cada región cumple funciones específicas, con las inferiores controlando respuestas musculares automáticas y las superiores controlando movimientos complejos.

Procesamiento de la Información: Función Integradora del Sistema Nervioso

• El sistema nervioso procesa la información para generar respuestas motoras y mentales apropiadas.
• El encéfalo descarta más del 99% de la información sensitiva por irrelevante.
• La información sensitiva importante es canalizada hacia las regiones motoras e integradoras del encéfalo.
• Esta canalización y tratamiento de la información se denomina función integradora del sistema nervioso.

Cometido de las Sinapsis en el Procesamiento de la Información

• Las sinapsis son los puntos de unión neuronal y determinan la dirección de las señales en el sistema nervioso.
• Algunas sinapsis facilitan la transmisión, mientras que otras la dificultan.
• Las señales facilitadoras e inhibidoras controlan la transmisión sináptica, abriendo o cerrando sinapsis.
• Algunas neuronas postsinápticas responden con muchos impulsos, otras con pocos.
• Las sinapsis bloquean señales débiles y dejan pasar las más potentes, o seleccionan y amplifican señales débiles.

Almacenamiento de la Información: Memoria

• Una pequeña fracción de la información sensitiva provoca una respuesta motora inmediata.
• El resto se almacena para controlar futuras actividades motoras y procesos de reflexión.
• El almacenamiento ocurre principalmente en la corteza cerebral, pero también en regiones basales y la médula espinal.
• La acumulación de información es la memoria, y depende de la función de las sinapsis.
• Las sinapsis facilitan la transmisión de señales que las atraviesan repetidamente.
• La facilitación profunda permite que las señales generadas en el encéfalo originen impulsos en las sinapsis, creando recuerdos.
• Los mecanismos exactos de la facilitación a largo plazo aún son inciertos.
• Los recuerdos forman parte de los mecanismos de procesamiento cerebral para el pensamiento.
• El encéfalo compara experiencias sensitivas nuevas con recuerdos acumulados, seleccionando la información más importante.

Principales Niveles de Función del Sistema Nervioso Central

• El sistema nervioso humano tiene capacidades funcionales especiales que corresponden a las etapas del desarrollo evolutivo.
• Los principales niveles del sistema nervioso central:
• Nivel medular
• Nivel encefálico inferior o subcortical
• Nivel encefálico superior o cortical

Nivel Medular

• La médula espinal no solo es un conducto de señales entre la periferia y el encéfalo.
• Después de una sección medular, las funciones medulares organizadas siguen funcionando.
• Los circuitos neuronales de la médula pueden generar:
• Movimientos de marcha
• Reflejos para retirar el cuerpo de objetos dolorosos
• Reflejos para sostener el tronco contra la gravedad
• Reflejos que controlan vasos sanguíneos, digestión o excreción urinaria
• Los niveles superiores del sistema nervioso controlan los centros medulares, ordenando que ejecuten sus funciones.

Nivel Encefálico Inferior o Subcortical

• Controla la mayoría de las actividades inconscientes del organismo.
• Estructuras involucradas: bulbo raquídeo, protuberancia, mesencéfalo, hipotálamo, tálamo, cerebelo y ganglios basales.
• Funciones reguladas:
• Presión arterial y respiración (bulbo raquídeo y protuberancia)
• Equilibrio (cerebelo y formación reticular)
• Reflejos de alimentación (bulbo raquídeo, protuberancia, mesencéfalo, amígdala y hipotálamo)
• Patrones emocionales (ira, excitación, respuestas sexuales, dolor, placer)

Nivel Encefálico Superior o Cortical

• Es un enorme almacén de recuerdos y siempre funciona asociado a los centros inferiores.
• Convierte funciones imprecisas de centros encefálicos inferiores en operaciones determinativas y precisas.
• Es fundamental para el pensamiento, pero no puede funcionar sin los centros encefálicos inferiores que despiertan la vigilia y abren los bancos de recuerdos.

Comparación del Sistema Nervioso con un Ordenador

• Los ordenadores presentan similitudes con el sistema nervioso:
• Circuitos de entrada (sensitivos)
• Circuitos de salida (motores)
• Ordenadores sencillos: las señales de salida están directamente controladas por las señales de entrada (reflejos medulares).
• Ordenadores complejos: la salida está condicionada por las señales de entrada y la información almacenada (sistema nervioso superior humano).
• Ordenadores aún más complejos: unidad de procesamiento central que determina la secuencia de las operaciones (mecanismos cerebrales de control).

Sinapsis del Sistema Nervioso Central

• La información viaja a través del sistema nervioso central como impulsos nerviosos, recorriendo sucesiones de neuronas.
• Cada impulso puede:
• Quedar bloqueado
• Convertirse en una cadena repetitiva
• Integrarse con impulsos de otras células
• Estas funciones se clasifican como funciones sinápticas.

Tipos de Sinapsis: Químicas y Eléctricas

• Dos tipos principales de sinapsis: químicas y eléctricas.

Sinapsis Químicas

• Utilizadas para la transmisión de señales en el sistema nervioso central humano.
• La primera neurona libera un neurotransmisor que actúa sobre los receptores de la siguiente neurona.
• El neurotransmisor puede excitar, inhibir o modificar la sensibilidad neuronal.
• Se conocen más de 50 neurotransmisores importantes.
• Ejemplos: acetilcolina, noradrenalina, adrenalina, histamina, ácido γ-aminobutírico (GABA), glicina, serotonina y glutamato.

Sinapsis Eléctricas

• Los citoplasmas de las células adyacentes están conectados por canales iónicos (uniones en hendidura).
• Los iones se mueven libremente entre las células.
• Los potenciales de acción se transmiten desde una fibra muscular lisa hasta la siguiente o desde un miocito cardíaco al siguiente.

Conducción «Unidireccional» en las Sinapsis Químicas

• Las sinapsis químicas transmiten las señales en un solo sentido.
• La neurona que secreta el neurotransmisor (neurona presináptica) se comunica con la neurona sobre la que actúa el transmisor (neurona postsináptica).
• Este mecanismo de conducción unidireccional es diferente a la conducción de las sinapsis eléctricas.
• Permite enviar señales hacia objetivos específicos.
• Es esta transmisión específica la que le permite llevar a cabo las funciones de sensibilidad, control motor, memoria y otras muchas.

Anatomía Fisiológica de la Sinapsis

• Una motoneurona anterior típica tiene tres partes:
• Soma (cuerpo principal)
• Axón (se extiende hacia un nervio periférico)
• Dendritas (prolongaciones ramificadas)
• La superficie de las dendritas y el soma tienen entre 10.000 y 200.000 terminales presinápticos, la mayoría en las dendritas.
• Estos terminales son excitadores (secretan un neurotransmisor que estimula) o inhibidores (secretan un neurotransmisor que inhibe).
• Las neuronas varían en:
• Dimensiones del soma celular
• Longitud, tamaño y número de dendritas
• Longitud y tamaño del axón
• Número de terminales presinápticos
• Estas variaciones hacen que las neuronas reaccionen de forma diferente a las señales sinápticas.

Terminales Presinápticos

• Poseen variadas formas anatómicas, pero en su mayoría se parecen a pequeños botones redondos u ovalados (botones terminales, pies terminales o botones sinápticos).
• Los terminales contienen:
• Vesículas transmisoras (almacenan neurotransmisores)
• Mitocondrias (suministran ATP para sintetizar más neurotransmisores)
• Cuando un potencial de acción se propaga por un terminal presináptico, las vesículas liberan su contenido en la hendidura.
• El transmisor liberado se une a un receptor en la membrana postsináptica, provocando un cambio en su permeabilidad y conduciendo a la excitación o inhibición.

Liberación del Transmisor en los Terminales Presinápticos: Papel de los Iones Calcio

• La membrana del terminal presináptico contiene canales de calcio dependientes de voltaje.
• Cuando un potencial de acción despolariza la membrana, los canales se abren y permiten la entrada de iones calcio.
• La cantidad de neurotransmisor liberado es proporcional a la cantidad de iones calcio que penetran.
• Los iones calcio se unen a moléculas proteicas especiales (puntos de liberación) en la cara interna de la membrana.
• Este enlace provoca la apertura de los puntos de liberación, permitiendo que las vesículas liberen su contenido en la hendidura sináptica.
• En las vesículas que almacenan acetilcolina se encuentran entre 2.000 y 10.000 moléculas de esta sustancia

Acciones del Transmisor en las Neuronas Postsinápticas: Función de las Proteínas Receptoras

• La membrana de la neurona postsináptica contiene proteínas receptoras que poseen dos elementos:
• Componente de unión (sobresale hacia la hendidura sináptica y se fija al neurotransmisor)
• Componente intracelular (atraviesa la membrana y llega al interior de la neurona)
• La activación de los receptores controla la apertura de los canales iónicos o activa un "segundo mensajero".
• Los receptores que activan directamente los canales iónicos son ionotrópicos, mientras que los que actúan a través de segundos mensajeros son metabotrópicos.

Canales Iónicos

• Los canales iónicos de la membrana neuronal son:
• Canales catiónicos (dejan pasar iones sodio, potasio y calcio)
• Canales aniónicos (dejan pasar iones cloruro)
• Los canales catiónicos están revestidos de cargas negativas que atraen a los iones sodio positivos.
• La apertura de canales catiónicos permite la entrada de iones sodio positivos, excitando la neurona (transmisor excitador).
• La apertura de canales aniónicos permite la entrada de cargas negativas, inhibiendo la neurona (transmisores inhibidores).
• La apertura y cierre de los canales iónicos permiten controlar rápidamente las neuronas postsinápticas.

Sistemas de «Segundo Mensajero» en la Neurona Postsináptica

• Estos sistemas provocan cambios prolongados en las neuronas (procesos de memoria).
• La excitación o inhibición neuronal se consigue activando un sistema químico de segundo mensajero.
• Uno de los más frecuentes utiliza proteínas G compuestas de un componente alfa (α) y componentes beta (β) y gamma (γ).
• Cuando el receptor es activado por un neurotransmisor, la subunidad α se separa y se une al trifosfato de guanosina (GTP).
• El complejo α-GTP se mueve en el citoplasma y realiza funciones como:
• Apertura de canales iónicos
• Activación de enzimas en la membrana o intracelulares
• Inicio de la transcripción genética
• La inactivación de la proteína G ocurre cuando el GTP unido a la subunidad α se hidroliza para formar GDP.

Receptores Excitadores o Inhibidores en la Membrana Postsináptica

• Algunos receptores provocan la excitación y otros la inhibición de las neuronas.
• Existen distintos mecanismos moleculares y de membrana para provocar estos efectos.

Excitación

• Apertura de canales de sodio (entrada de cargas positivas)
• Depresión de la conducción de iones cloruro o potasio
• Cambios en el metabolismo interno para excitar la actividad celular
• (incrementar el número de receptores excitadores/disminuir los inhibidores)

Inhibición

• Apertura de canales del ion cloruro (entrada de cargas negativas)
• Aumento de la conductancia para los iones potasio (salida de cargas positivas)
• Activación de las enzimas receptoras (inhibición de funciones metabólicas/aumento de receptores inhibidores/disminución de los excitadores)

Sustancias Químicas que Actúan como Transmisores Sinápticos

• Más de 50 sustancias químicas actúan como transmisores sinápticos.
• Transmisores de acción rápida y molécula pequeña (respuestas inmediatas).
• Neuropéptidos (acciones más lentas y prolongadas).
• Transmisores de molécula pequeña: acetilcolina, noradrenalina, adrenalina, dopamina, serotonina, histamina, GABA, glicina, glutamato, aspartato, ATP, ácido araquidónico, óxido nítrico, monóxido de carbono.
• Neuropéptidos: hormonas hipotalámicas, péptidos hipofisarios, péptidos que actúan sobre el intestino, neuropéptidos procedentes de otros tejidos.

Transmisores de Acción Rápida y Molécula Pequeña

• Se sintetizan en el citoplasma del terminal presináptico.
• Las vesículas transmisoras los absorben por transporte activo.
• Un potencial de acción libera el neurotransmisor a la hendidura sináptica.
• El neurotransmisor actúa sobre los receptores de la neurona postsináptica, modificando la conductancia iónica.
• Ejemplo: aumento de la conductancia al sodio (excitación) o al potasio/cloruro (inhibición).

Reciclado de las Vesículas de Molécula Pequeña

• Las vesículas se reciclan continuamente.
• Después de liberar el neurotransmisor, la membrana de la vesícula se invagina y forma una nueva vesícula.
• Esta nueva membrana vesicular aún contiene las proteínas enzimáticas necesarias para sintetizar los neurotransmisores.

Neuropéptidos

• Se sintetizan en los ribosomas del soma neuronal como grandes moléculas proteicas.
• El retículo endoplásmico y el aparato de Golgi las escinden en fragmentos más pequeños.
• Estos fragmentos se introducen en vesículas transmisoras que se liberan hacia el citoplasma y se transportan por los axones.
• Las vesículas vierten su contenido en los terminales como respuesta a los potenciales de acción y sufren autólisis.
• Se libera una cantidad menor de neuropéptidos, pero poseen una potencia 1.000 veces mayor que los transmisores de molécula pequeña.
• Provocan acciones más duraderas, como el cierre prolongado de los canales de calcio, cambios en la maquinaria metabólica, activación o desactivación de genes.
• Los efectos pueden durar días, meses o años.
• Un mismo terminal nervioso puede coexistir neuropéptidos y neurotransmisores de molécula pequeña.

Características Especiales de Algunos Importantes Transmisores de Molécula Pequeña

Acetilcolina

• Se secreta por neuronas en muchas regiones:
• Células piramidales grandes de la corteza motora
• Neuronas de los ganglios basales
• Motoneuronas que inervan músculos esqueléticos
• Neuronas preganglionares
• Neuronas posganglionares parasimpáticas
• Parte de las neuronas posganglionares simpáticas
• Mayormente tiene un efecto excitador, pero inhibe terminaciones nerviosas parasimpáticas periféricas (inhibición del corazón por los nervios vagos).

Noradrenalina

• Se secreta en terminales de neuronas en el tronco del encéfalo y el hipotálamo (locus ceruleus).
• Controla la actividad global y el estado mental, aumentando el nivel de vigilia.
• Activa receptores excitadores o inhibidores.

Dopamina

• Se secreta en neuronas originadas en la sustancia negra.
• Se termina en la región estriada de los ganglios basales.
• Su efecto suele ser una inhibición.

Glicina

• Se secreta en las sinapsis de la médula espinal.
• Actúa como un transmisor inhibidor.

Ácido y-aminobutírico (GABA)

• Se secreta en los terminales nerviosos de la médula espinal, el cerebelo, los ganglios basales y la corteza.
• Es el principal neurotransmisor inhibidor en el sistema nervioso central adulto.
• En fases tempranas del desarrollo, el GABA actúa como un neurotransmisor excitador.

Glutamato

• Se secreta en terminales presinápticos de vías sensitivas y áreas de la corteza cerebral.
• Causa excitación.

Serotonina

• Se secreta en núcleos del rafe medio del tronco encefálico.
• Proyecta hacia regiones del cerebro y de la médula espinal (astas dorsales y hipotálamo).
• Inhibe las vías del dolor en la médula y controla el estado de ánimo (puede provocar sueño).

Óxido Nítrico

• Se produce en terminales nerviosos de regiones encefálicas responsables de la conducta a largo plazo y de la memoria.
• Se sintetiza al instante según las necesidades y difunde fuera de los terminales presinápticos.
• Modifica las funciones metabólicas intracelulares, cambiando la excitabilidad neuronal.

Fenómenos Eléctricos Durante la Excitación Neuronal

• Fenómenos estudiados en motoneuronas de las astas anteriores de la médula espinal.

Potencial de Membrana en Reposo del Soma Neuronal

• Potencial de membrana en reposo de -65 milivoltios (mV).
• Importante para el control positivo y negativo del grado de excitabilidad neuronal.

Diferencias de Concentración Iónica a Través de la Membrana en el Soma Neuronal

• Gradientes iónicos establecidos por bombas iónicas:
• Sodio (alto fuera, bajo dentro)
• Potasio (bajo fuera, alto dentro)
• Ion cloruro (alto fuera, bajo dentro)

Potencial de Nernst

• El potencial eléctrico a través de la membrana celular que se opone al movimiento de un ion a través de ella.
• El interior de la neurona tiene un potencial de Nernst de +61 mV para el sodio, -86 mV para el potasio y -70 mV para el cloruro.
• Distribución uniforme del potencial eléctrico en el interior del soma neuronal.
• El líquido intracelular es un buen conductor de la corriente eléctrica.
• Todo cambio en el potencial de una zona se refleja en todo el soma.

Efecto de la Excitación Sináptica Sobre la Membrana Postsináptica: Potencial Postsináptico Excitador

• La excitación del terminal presináptico aumenta la permeabilidad de la membrana postsináptica al sodio.
• Iones sodio entran rápidamente a la neurona.
• Esta entrada neutraliza las cargas negativas existentes y potencial de -45 mV.
• Esta elevación del voltaje se llama potencial postsináptico excitador (PPSE).

Fenómenos Eléctricos Durante la Inhibición Neuronal

Efecto de las Sinapsis Inhibidoras Sobre la Membrana Postsináptica: Potencial Postsináptico Inhibidor

• Las sinapsis inhibidoras abren canales de cloruro.
• El cloro entran a la célula o salida de los iones potasio hacia el exterior, provoca hiperpolarización.
• Esta hiperpolarización genera un potencial postsináptico inhibidor (PPSI).

Inhibición Presináptica

• Un tipo de inhibición ocurre en los terminales presinápticos antes de que la señal a la sinapsis.
• La liberación de GABA abre canales aniónicos, permitiendo la entrada de iones cloruro.
• Las cargas negativas inhiben la transmisión sináptica, anulando el efecto excitador de los iones sodio.
• La inhibición presináptica ocurre en las vías sensitivas del sistema nervioso, atenuando la propagación lateral y la mezcla de señales.

Evolución Temporal de los Potenciales Postsinápticos

• Cuando una sinapsis excitadora estimula la motoneurona, la membrana neuronal se vuelve muy permeable al sodio durante 1 o 2 ms.
• Iones sodio difunden hacia la motoneurona, elevando su potencial intraneuronal unos pocos milivoltios (PPSE).
• El potencial desciende luego lentamente a lo largo de los 15 ms siguientes.
• En un PPSI, ocurre lo contrario: la sinapsis inhibidora aumenta la permeabilidad de membrana a los iones potasio o cloruro durante 1 a 2ms .

Sumación Espacial

• La excitación de un solo terminal presináptico casi nunca activa la neurona.
• Muchos terminales se estimulan al mismo tiempo y suman sus efectos hasta que se produzca un PPSE.
• Con cada sinapsis excitadora, el potencial se vuelve más positivo en 0.5 a 1 mvolt
• Cuando el PPSE llega al nivel suficiente, alcanzará el umbral de disparo y producirá un potencial de acción instantáneamente en el segmento inicial del axón (este efecto se denomina sumación espacial).

Sumación Temporal

• La sustancia transmisora liberada abre los canales de membrana por 1 o 2 milisegundos.
• Sin embargo, la modificación del potencial postsináptico dura hasta 15 milisegundos, una vez que los canales de membrana se cierran.
• La descarga sucesivas pueden sumarse y esta acción se llama sumación temporal.

Sumación Simultánea de Potenciales Postsinápticos Excitadores e Inhibidores

• Si un PPSI disminuye la membrana y un PPSE la eleva, los efectos pueden neutralizarse entre sí total o parcialmente.
• Puede interrumpir así su actividad.

Facilitación de las Neuronas

• Cuando el potencial postsináptico total es excitador, pero no alcanza el umbral de disparo, la neurona está facilitada.

Funciones Especiales de las Dendritas Para Excitar a las Neuronas

Campo Espacial de Excitación de las Dendritas Amplio

• Las dendritas suelen extenderse de 500 a 1.000 µm en todas las direcciones, recibiendo señales de una gran región espacial.

Disminución de la Corriente Electrotónica en las Dendritas

• La sinapsis excitadora esté del soma neuronal, así será mayor.

Estado de Excitación de la Neurona y Frecuencia de Descarga

• El estado de excitación es el nivel acumulado de impulsos excitadores en la neurona.
• Si el grado de excitación es más alto que el inhibición, la neurona está en un estado excitado.
• Cuando el estado excitado está más alto que el umbral de excitación, la neurona va a disparada de forma repetitiva.

Características Especiales de la Transmisión Sináptica

Fatiga de la Transmisión Sináptica

• Este exceso es muy alto a la primera, pero la frecuencia va bajando en milisegundos o segundos.
• Es agotamiento o una debilitación parcial de transmisor con unos pocos segundos.

Efecto de la Acidosis o de la Alcalosis sobre la Transmisión Sináptica

• La mayoría de las neuronas son muy sensibles a los cambios del pH y la alcalosis aumenta la excitación.

Efecto de la Hipoxia sobre la Transmisión Sináptica

• Si no hay un buen suministro de oxígeno, algunos puede ocasionar una ausencia completa de excitación .

Efecto de los Fármacos sobre la Transmisión Sináptica

• Algunos fármacos aumentan la excitación y otras la disminuyen.

Retraso Sináptico

• Durante la transmisión en una señal toma un un periodo mínimo ,que es de 0.5ms.